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Wann sollten Sie die Prozessanalyse herkömmlichen Labormessungen vorziehen? Lesen Sie in unserem Blog-Artikel, welche Faktoren bei dieser Entscheidung am wichtigsten sind.
Labor- vs. Prozessanalyse: Schlüsselfaktoren für fundierte Entscheidungen
Klassische Mülldeponien prägen häufig das Landschaftsbild, haben aber den Nachteil oftmals überfüllt zu sein. Die Deponien nehmen viel Platz in Anspruch und können die Umwelt verschmutzen, wenn sich der Abfall zersetzt. Im Jahr 2009 veröffentlichte die Europäische Umweltagentur einen Bericht, in dem sie sich für den Übergang von der Deponieentsorgung zu nachhaltigeren Alternativen aussprach [1]. Eine praktikable Lösung ist die thermische Behandlung, bei der Abfälle verbrannt und gleichzeitig Energie erzeugt wird. Die Verbrennung kann zwar den Deponiemüll reduzieren und Energie erzeugen, aber es ist wichtig zu verstehen, wie der Abfallverbrennungsprozess funktioniert und welche Schritte erforderlich sind, um ihn sicher und umweltverträglich zu betreiben.
Was ist Müllverbrennung?
Abbildung 1.
Lkw, der den Müll vor der Verbrennung anfährt.
Zunächst werden die festen Siedlungsabfälle per Lkw angeliefert und zur Verarbeitung gelagert (Abbildung 1).
Anschließend werden die Abfälle in einen Hochtemperaturofen geleitet, wo sie verbrannt werden. Bei der Verbrennung entsteht Rauchgas - ein Gemisch aus heißen Gasen und Nebenprodukten - das vor der Freigabe gründlich gereinigt werden muss.
Die im Ofen erzeugte Wärme spielt eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung. Die aufgefangene Wärme erzeugt Dampf, der eine Turbine antreibt, die schließlich Strom erzeugt.
Lesen Sie nachfolgend mehr darüber, wie Prozessanalysatoren zur Überwachung von Emissionen wie Ammoniak, Sulfat und Schwermetallen eingesetzt werden.
Warum ist die Müllverbrennung wichtig?
Die Verbrennung ist eine Abfallbewirtschaftungsstrategie, mit der feste Abfälle reduziert (d.h. deponiert) und gleichzeitig Energie erzeugt wird. Einer Prognose des UNEP (UN Environment Programme) zufolge wird die Produktion fester Siedlungsabfälle von 2,3 Milliarden Tonnen im Jahr 2023 auf 3,8 Milliarden Tonnen im Jahr 2050 ansteigen [2]. Daher ist die Sicherstellung eines effizienten und gesetzeskonformen Betriebs solcher Verbrennungsanlagen von größter Bedeutung, was jedoch nur durch sorgfältige Überwachung erreicht werden kann.
Die Verbrennungsverfahren haben sich weiterentwickelt und bieten verschiedene Optionen, die auf bestimmte Abfallarten zugeschnitten sind. Es gibt unterschiedliche Typen von Verbrennungsanlagen: einfache Verbrennungsanlagen, Verbrennungsanlagen mit festem oder beweglichem Rost, Verbrennungsanlagen mit Drehrohrofen und Wirbelschichtverbrennungsanlagen [3]. Jeder Typ hat einzigartige Vorteile in Bezug auf Kapazität, Effizienz und Emissionskontrolle.
Wie funktioniert die Müllverbrennung?
In einer Müllverbrennungsanlage beginnt die Arbeit mit der Anlieferung des Mülls durch Müllsammelfahrzeuge (Abbildung 1). Ein Greifmechanismus (Abbildung 2) hebt den Abfall an und legt ihn in einem Hochtemperaturofen ab.
Abbildung 2.
Mechanische Klaue zum Einsammeln von Abfällen.
Dort findet die Verbrennung statt, bei der die Abfälle zersetzt werden und Wärmeenergie und Rauchgas - im Wesentlichen heiße Abgase mit Verbrennungsnebenprodukten - freigesetzt werden. Die Wärme aus dem Verbrennungsprozess wird zur Erzeugung von Dampfenergie und zur Stromerzeugung in dem angrenzenden Wärmekraftwerk genutzt.
Bei der Verbrennung entstehen Rauchgase, die Schadstoffe wie saure Gase, Schwermetalle und Feinstaub (PM) enthalten. Der Wäscher (Abbildung 3) wirkt als Barriere und fängt diese Schadstoffe auf, bevor sie in die Atmosphäre gelangen.
Abbildung 3.
Schematische Darstellung einer Verbrennungsanlage für kommunale Feststoffabfälle.
Das Rauchgas wird nicht direkt in die Atmosphäre abgegeben. Stattdessen durchläuft es zunächst mehrere Stufen (z. B. Wäscher und Filter), um verschiedene unerwünschte Bestandteile zu entfernen, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. In den Wäschern werden Wasser oder spezielle chemische Lösungen eingesetzt, um Schadstoffe wie Feinstaub, Schwermetalle und saure Gase abzuscheiden.
Schließlich werden die Aschereste aus dem Ofen und die bei der Reinigung anfallenden Abwässer einer strengen Analyse unterzogen, bevor sie entsorgt werden. So wird sichergestellt, dass diese Materialien ordnungsgemäß behandelt und auf umweltverträgliche Weise entsorgt werden.
In diesen Anlagen werden nicht nur Abfälle entsorgt, sondern auch die entstehende Wärme zur Energieerzeugung genutzt.
- Die intensive Hitze des Ofens wird genutzt, um Wasser in einem Kesselsystem zum Kochen zu bringen.
- Der entstehende Hochdruckdampf treibt dann eine Turbine an.
- Durch die Rotation der Turbine wird elektrische Energie erzeugt.
Müllverbrennungsanlagen bieten somit einen doppelten Nutzen: die erhebliche Reduzierung des Abfallaufkommens auf Mülldeponien und Energieerzeugung.
Abgaswäscher: ein wesentlicher Schritt zur Emissionskontrolle
Abbildung 4.
Darstellung des Nasswaschvorgangs.
Abgaswäscher, im Wesentlichen die Luftreinigungsanlagen innerhalb des Müllverbrennungsprozesses, spielen eine wichtige Rolle bei der Einhaltung der Emissionswerte, indem sie Schadstoffe in Flüssigkeiten (Abbildung 4) oder speziellen trockenen Materialien einschließen.
Wäscher reduzieren die Emission von Schadstoffen wie Schwefeldioxid (SO2), Stickoxiden (NOx), Schwermetallen und Feinstaub. Dadurch können Müllverbrennungsanlagen die strengen Umweltvorschriften einhalten.
Durch die Neutralisierung saurer Gase verhindern Wäscher die Bildung von saurem Regen und schützen so die Bodenfruchtbarkeit und aquatische Ökosysteme in der Nähe der Verbrennungsanlage.
Wäscher leisten einen wichtigen Beitrag, indem sie die Freisetzung gefährlicher Stoffe reduzieren, die Atemwegserkrankungen und andere gesundheitliche Komplikationen verursachen können.
Warum sollten Sie Prozessanalysensysteme zur Überwachung behördlicher Grenzwerte einsetzen?
Unbehandelte (oder unzureichend behandelte) Abwässer aus Müllverbrennungsanlagen gefährden die Umwelt und die öffentliche Gesundheit. Eine genaue Überwachung stellt sicher, dass die verschiedenen Abwässer die Anforderungen der Einleitungsvorschriften erfüllen und keine Schäden verursachen.
Prozessanalysatoren tragen dazu bei, Fehler zu minimieren, die bei der Probenahme und Laboranalyse auftreten können. Sie liefern ein Echtzeitbild der Anlagenbedingungen und ermöglichen so proaktive Anpassungen zur Optimierung. Darüber hinaus machen Online-Prozessanalysatoren den manuellen Umgang mit potenziell gefährlichen Chemikalien überflüssig, was die Sicherheit für Anlagenbetreiber und Personal erhöht.
Obwohl sie vollständig automatisiert sind, bieten die robusten PAT-Lösungen eine Genauigkeit in Laborqualität und gewährleisten so zuverlässige Daten für wichtige Entscheidungen.
Einige Teilbereiche des Müllverbrennungsprozesses, in denen Online-Prozessanalysatoren eingesetzt werden können, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Metrohm Process Analytics bietet eine umfassende Palette von Lösungen zur Überwachung kritischer Parameter in Müllverbrennungsanlagen und Kraftwerken.
| Parameter | Analysetechnik | |
|---|---|---|
| Rauchgas / Feuerung | Säuren und Schwermetalle | VA / XRF |
| Calcium und Sulfat | Titration | |
| Sulfat | Titration / Photometrie | |
| Wäscher | Schwermetalle | VA / XRF |
| Ammoniak (NH3) in Wäscherasche | ISE | |
| Natriumhydroxid, Calciumcarbonat, Sulfat | Titration | |
| Kühlwasser | Natrium, Ammoniak (NH3) | Titration |
| Kupferkorrosionsinhibitoren | IC | |
| Schwermetalle | VA | |
| Turbine | Strömungsinduzierte Korrosion (FAC) | IC / VA |
| Abwasser in Abwasserbehandlungsanalgen | Zink, Cadmium, Blei, Quecksilber | VA |
| Mangan, Eisen (Fe2+/Fe3+), Chrom (Cr6+), Kieselsäure (Si4+) | Titration / Photometrie | |
| Ammonium (NH4+) | ISE |
Voltammetrie (VA)
Die voltammetrische Analyse ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Quantifizierung von Schwermetallspuren in den Emissionen von Verbrennungsanlagen. Da die Umweltvorschriften für die Freisetzung dieser Schadstoffe in der Regel im µg/L-Bereich (ppb) liegen, ist eine empfindliche Analysemethode erforderlich. Durch die Nutzung elektrochemischer Prinzipien bietet die Voltammetrie eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität, die eine präzise Detektion und Quantifizierung von Schadstoffen ermöglicht.
Abbildung 5.
Der 2060 VA Process Analyzer von Metrohm Process Analytics führt vollautomatische voltammetrische Analysen durch.
Bei der Voltammetrie wird der elektrische Strom gemessen, der von einer Probe erzeugt wird, wenn diese einer wechselnden Spannung ausgesetzt ist. Dies ermöglicht den Nachweis und die Quantifizierung von verschiedenen gelösten Metallen, Anionen und Kationen.
In Kraftwerken und Verbrennungsanlagen ist die Voltammetrie von unschätzbarem Wert für:
Die Optimierung der Wäscher. VA hilft bei der Überwachung von Schwermetallen wie Blei und Cadmium im Abwasser des Wäschers, um eine optimale Wäscherleistung zu gewährleisten und zu verhindern, dass diese Schadstoffe in die Umwelt gelangen.
Application Note: Online-Analyse von Cadmium in Nassgaswäschern von Verbrennungsanlagen
Die Kühlwasseranalyse. Kühlwassersysteme sind anfällig für Korrosion und Verunreinigung durch Schwermetalle. Die Voltammetrie erleichtert den Nachweis dieser Schadstoffe und ermöglicht so vorbeugende Maßnahmen und den Schutz von kritischer Infrastruktur (z. B. Wärmetauscher, Kühltürme und Turbinen).
Eine effiziente Abwasserbehandlung. Abwässer aus Kraftwerken müssen vor der Freigabe ordnungsgemäß behandelt werden. Die Voltammetrie hilft bei der Überwachung von Schwermetallen wie Zink, Cadmium, Quecksilber und Blei im Abwasserstrom und sorgt so für eine effiziente Entfernung und die Einhaltung von Umweltvorschriften.
Titration
Bisher war die Titration auf die manuelle Entnahme und Analyse von Proben im Labor angewiesen, was ein höheres Risiko für Fehler mit sich bringt. Im Gegensatz zur manuellen Analyse im Labor, bietet die Online-Titration (Abbildung 6) mehrere wichtige Vorteile.
Abbildung 6.
Der 2060 Process Analyzer von Metrohm Process Analytics ist so konfiguriert, dass er sowohl Titration als auch photometrische Analysen online mit einem einzigen System durchführen kann.
Die Titration spielt bei verschiedenen Applikationen in Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen eine entscheidende Rolle, beispielsweise:
Schutz der Anlagen. Die Überwachung der Ammoniak (NH3)-Konzentration im Kühlwasser schützt Rohre, Kessel und andere teure Anlagen vor Korrosion.
Application Note: Ammoniak im Kühlwasser von Wärmekraftwerken
Bekämpfung von Korrosion. Die konsequente Messung der „m-Zahl“ (Alkalinität) des Kühlwassers hilft, Korrosion im System zu verhindern.
Application Note: Energieerzeugung: Analyse der m-Zahl (Alkalität) im Kühlwasser
Frühzeitige Erkennung von Problemen. Die Ultraspurenanalyse von Eisen und Kupfer im Kraftwerkswasser liefert Frühwarnzeichen für mögliche Korrosionsprobleme.
Zustand des Kessels. Die kontinuierliche Überwachung des Siliziumdioxidgehalts im Kesselspeisewasser gewährleistet den reibungslosen Betrieb von Kesseln und verhindert kostspielige Ausfallzeiten.
Application Note: Online-Analyse von Kieselsäure im Kesselspeisewasser von Kraftwerken
Erfahren Sie mehr über die Prinzipien der Titration in unserem Blogbeitrag.
Abbildung 7.
Der 2060 IC Process Analyzer von Metrohm Process Analytics ist der Analyzer der Wahl für die Analyse ionischer Verbindungen in wässrigen Medien von ng/L bis zu %-Konzentrationen.
Ionenchromatographie (IC)
Die Ionenchromatographie eignet sich hervorragend zur Trennung und Quantifizierung von Ionen in wässrigen Proben. In Kraftwerken ist die IC ideal für die Überwachung von Spuren verschiedener Analyten und bietet folgende Vorteile:
Korrosionsschutz. Kühlwassersysteme sind anfällig für Korrosion, die sich negativ auf die Effizienz der Anlage und die Sicherheit des Personals auswirken kann. Die Online-Überwachung der Konzentration von Kupferkorrosionsinhibitoren im Kühlwasser mittels Ionenchromatographie (Abbildung 7) ermöglicht eine vorausschauende Wartung und verhindert kostspielige Anlagenschäden.
Application Note: Online-Überwachung von Kupferkorrosionsinhibitoren im Kühlwasser
Optimierung von Kraftwerken. Die Analyse selbst von Spuren von Aminen im alkalischen Wasser-Dampf-Kreislauf von Kraftwerken hilft, die Systemleistung zu optimieren und mögliche Probleme zu minimieren.
Application Note: Online-Spurenanalyse von Aminen im alkalischen Wasser-Dampf-Kreislauf von Kraftwerken
Zusammenfassung
- Müllverbrennungsanlagen sind wichtig, um das Deponievolumen zu verringern und Energie zu erzeugen.
- Bei der Verbrennung von Abfallstoffen werden gefährliche Bestandteile wie Schwermetalle, saurer Regen, Blei und Cadmium freigesetzt.
- Wäscher und andere Technologien werden eingesetzt, um Emissionen und (Ab-)Wasser aus der Abfallverbrennungsanlage zu reduzieren/reinigen.
- Prozessanalysatoren (z. B. mit VA, Titration und/oder IC) sind wichtige Analysewerkzeuge zur Erzeugung von Echtzeitdaten in Verbindung mit dem Betriebsstatus der Abfallverbrennungsanlage.
- Die Überwachung in Echtzeit erleichtert die Einhaltung der behördlichen Vorschriften.
Referenzen
[1] Diverting waste from landfill - Effectiveness of waste-management policies in the European Union — European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-efficientness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (abgerufen am 01.05.2024).
[2] Environment, U. N. Global Waste Management Outlook 2024. UNEP - UN Environment Programme. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (abgerufen am 24.04.2024).
[3] Incinerator - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (abgerufen am 23.04.2024).
Ihre Wissens-Take-aways
Broschüre: Umweltprüfindustrie I - Online-Analysatoren für die kommunale Abwasseranalyse
